1、產品的熱設計方法介紹? 為 什么要進行熱設計？ 高溫對電子產品的影響 ：絕緣性能退化；元器件損壞；材料的熱老化；低熔點焊縫開裂、焊點脫落。溫度對元器件的影響 ：一般而言，溫度升高電阻阻值降低；高溫會降低電容器的使用壽命；高溫會使變壓器、扼流圈絕緣材料的性能下降，一般變壓器、扼流圈的允許溫度要低于 95C;溫度過高還會造成焊點合金結構的變化 一IMC增厚，焊點變脆，機械強度降低；結溫的升高會使晶體管的電流放大倍數迅速增 加，導致集電極電流增加，又使結溫進一步升高，最終導致元件失效。介紹熱設計的目的控制產品內部所有電子元器件的溫度，使其在所處的 工作環境條件下不超過標準及規范所規定的 最高溫度。最

2、高允許溫度的計算應以元器件的應力分析為基礎 ,并且與產品的可靠性要求以及分配給每 一個元器件的失效率相一致。熱設計的發展趨勢。授課內容風路的設計方法 20分鐘 產品的熱設計計算方法40分鐘風扇的基本定律及噪音的評估方法 海拔高度對熱設計的影響及解決對策 熱仿真技術、熱設計的發展趨勢在本次講座中將學到那些內容 風路的布局方法、產品的熱設計計算方法、風扇的基本定律及噪音的評估方法、海拔高度對熱 設計的影響及解決對策、熱仿真技術、20分鐘20分鐘?50分鐘 概述 風路的設計方法 ：通過典型應用案例，讓學員掌握風路布局的原則及方法。 產品的熱設計計算方法 ：通過實例分析，了解散熱器的校核計算方法、風量

3、的計算方法、通風口的大 小的計算方法。風扇的基本定律及噪音的評估方法 ：了解風扇的基本定律及應用；了解噪音的評估方法。海拔高度對熱設計的影響及解決對策： 了解海拔高度對風扇性能的影響、 海拔高度對散熱器及元器件的 影響，了解在熱設計如何考慮海拔高度對熱設計準確度的影響。熱仿真技術： 了解熱仿真的目的、要求，常用熱仿真軟件介紹。 熱設計的發展趨勢： 了解最新散熱技術、了解新材料。風路設計方法自然冷卻的風路設計設計要點機柜的后門 （面板 ）不須開通風口。底部或側面不能漏風。應保證模塊后端與機柜后面門之間有足夠的空間。機柜上部的監控及配電不能阻塞風道，應保證上下具有大致相等的空間。對散熱器采用直齒的

4、結構 ,模塊放在機柜機架上后 ,應保證散熱器垂直放置 ,即齒槽應垂直于水平面。對 散熱器采用斜齒的結構 ,除每個模塊機箱前面板應開通風口外 ,在機柜的前面板也應開通風口。風路設計方法自然冷卻的風路設計設計案例風路設計方法自然冷卻的風路設計 典型的自然冷機柜風道結構形式風路設計方法強迫冷卻的風路設計設計要點?如果發熱分布均勻，元器件的間距應均勻，以使風均勻流過每一個發熱源.?如果發熱分布不均勻，在發熱量大的區域元器件應稀疏排列，而發熱量小的區域元器件布局應稍密些， 或加導流條，以使風能有效的流到關鍵發熱器件。應在模塊內部采用阻流方法，使大部分的風量流?如果風扇同時冷卻散熱器及模塊內部的其它發熱器

5、件， 入散熱器。? 進風口的結構設計原則：一方面盡量使其對氣流的阻力最小，另一方面要考慮防塵，需綜合考慮二者 的影響。? 風道的設計原則風道盡可能短，縮短管道長度可以降低風道阻力； 盡可能采用直的錐形風道，直管加工容易，局部阻力小； 風道的截面尺寸和出口形狀，風道的截面尺寸最好和風扇的出口一致，以避免因變換截面而增加 阻力損失，截面形狀可為園形，也可以是正方形或長方形；風路設計方法?強迫冷卻的風路設計?典型結構?強迫冷卻的風路設計?電源系統典型的風道結構風路設計方法-吹風方式風路設計方法 熱設計的基礎理論?自然對流換熱 ?大空間的自然對流換熱Nu=C(Gr. Pr)n.t m=(t f+t w

6、)/2定性溫度：定型尺寸按及指數按下表選取 熱設計的基礎理論?自然對流換熱?有限空間的自然對流換熱垂直封閉夾層的自然對流換熱問題分為三種情況：(1) 在夾層內冷熱壁的兩股流道邊界層能夠相互結合，形成環流；(2) 夾層厚度5與高度之比5/h>0.3時，冷熱的自然對流邊界層不會相互干擾，也不會出現環流，可按大空間自然對流換熱計算方法分別計算冷熱的自然對流換熱；(3) 冷熱壁溫差及厚度均較小，以厚度為定型尺寸的Gr=(Bg t 5 3)/ U 3<2000時，通過夾層的熱量可按純導熱過程計算。?自然對流換熱?有限空間的自然對流換熱水平夾層的自然對流換熱問題分為三種情況:(1)(2)(3)

7、熱設計的基礎理論熱面朝上，冷熱面之間無流動發生，按導熱計算； 熱面朝下，對氣體 GrPr<1700,按導熱計算； 有限空間的自然對流換熱方程式：Nu=C(G .P r)7 5 /h) nTn=(t wl+t w2 )定型尺寸為厚度5,定性溫度為冷熱壁面的平均溫度 熱設計的基礎理論?流體受迫流動換熱? 管內受迫流動換熱管內受迫流動的特征表現為：流體流速、管子入口段及溫度場等因素對換熱的影響。入口段：流體從進入管口開始需經歷一段距離后管兩側的邊界層才能夠在管中心匯合，這時管斷面流速分布及流動狀態才達到定型。這段距離稱為入口段。入口段管內流動換熱系數是不穩定的，所以計算平均對流換熱系數應對入口

8、段進行修正。在紊流時，如果管長與管內徑之比L/d>50則可忽略入口效應，實際上多屬于此類情況。管內受迫層流換熱準則式：Nu=O.15Re0.33 Pr0.43Gr0.1( Pr/P $25管內受迫紊流換熱準則式：tw>tfNu=O.O23Re0.8 Pr0.4.tw<tfNu=0.023Re0.8 Pr0.3熱設計的基礎理論? 流 體動力學基礎? 流量與斷面平均流速流量：單位時間內流過過流斷面的流體數量。如數量以體積衡量稱為體積流量Q;單位為m3/s(CFM);如數量用重量衡量稱為重量流量G,單位為Kg/s。二者的關系為：G= 丫 Q斷面平均流速 ：由于流體的粘性，過流斷面上

9、各點的流速分布不均勻，根據流量相等原則所確定的 均勻流速稱為斷面平均流速。單位 m/s(CFM)V = Q/A? 濕周與水力半徑濕周 ：過流斷面上流體與固體壁面相接觸的周界長度。用x 表示，單位 m。水力半徑：總流過過流斷面面積 A與濕周X之比稱為水力半徑，應符號 R表示，單位M。? 恒定流連續性方程 對不可壓縮流體： 對可壓縮流體V1A 1=V 2A2.p iViA 1= p 1V2A2熱設計的基礎理論? 流 體動力學基礎? 恒定流能量方程對理想流體:Z + p/Y +v2/2g=常數實際流體 : 由于粘性作為會引起流動阻力，流體阻力與流體流動方向相反作負功，使流體的總能量不斷衰減，每個斷面

10、的 Z + p/y+v2/2gM常數，假設流體從斷面1到斷面2的能量損失為hw，則元流的能 量方程式為：Zi + pi/Y +vi2/2g = Z2+ P 2/Y +v22/2g + hw熱設計的基礎理論? 流 體動力學基礎? 流體流動的阻力 : 由于流體的粘性和固體邊界的影響，使流體在流動過程中受到阻力，這個阻力稱為流 動阻力，可分為沿程阻力和局部阻力兩種。沿程阻力 ：在邊界沿程不變的區域，流體沿全部流程的摩檫阻力。局部阻力 ：在邊界急劇變化的區域，如斷面突然擴大或突然縮小、彎頭等局部位置，是流體的 流體狀態發生急劇變化而產生的流動阻力。? 層流、紊流與雷諾數層流：流體質點互不混雜，有規則的

11、層流運動。Re=Vd e V <2300層流紊流 ：流體質點相互混雜，無規則的紊流運動。 顯然層流狀態下只存在粘性引起的摩檫阻力，而紊流狀態下除摩檫阻力外還存在由于質點相互碰 撞、混雜所造成的慣性阻力，因此紊流的阻力較層流阻力大的多 。Re=Vd e/V <2300紊流熱設計的基礎理論? 流體動力學基礎? 管內層流沿程阻力計算 (達西公式 )hf=入(L/de)( p V2/2)入一沿程阻力系數，入=64/Re? 管內紊流沿程阻力計算hf=入(L/de)( p V2/2)入=f(Re, £ /d),即紊流時沿程阻力系數不僅與雷諾數有關，還與相對粗糟度£有關。古拉

12、茲采用人工粗糟管進行試驗得出了沿程阻力系數的經驗公式：紊流光滑區：4000<Re<105,入采用布拉修斯公式計算：入=0.3164/Re0.25熱設計的基礎理論? 流 體動力學基礎? 非園管道沿程阻力的計算 引入當量水力半徑后所有園管的計算方法與公式均可適用非園管，只需把園管直徑換成當量水力直徑。de=4A/X? 局部阻力hj=E P V2/2E-局部阻力系數突然擴大：突然縮小：可從相關的資料中查閱經驗值。散熱器的設計方法? 散 熱器冷卻方式的判據? 對通風條件較好的場合：散熱器表面的熱流密度小于 0.039W/cm 2，可采用自然風冷。? 對通風條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流

13、密度小于 0.024W/cm 2，可采用自然風冷。? 散熱器強迫風冷方式的判據?對通風條件較好的場合，散熱器表面的熱流密度大于 0.039W/cm 2而小于0.078W/cm 2,必須采用強迫風冷。?對通風條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度大于 0.024W/cm2而小于0.078W/cm 2，必須采用強迫風冷。散熱器的設計方法? 散熱器設計的步驟通常散熱器的設計分為三步1:根據相關約束條件設計處輪廓圖。2:根據散熱器的相關設計準則對散熱器齒厚、齒的形狀、 齒間距、基板厚度進行優化。3:進行校核計算。散熱器的設計方法? 自 然冷卻散熱器的設計方法? 考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間

14、距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm如果散熱器齒高低于10mm可按齒間距1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。? 自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱， 以建議散熱齒表面不加波紋齒。在散熱齒表面增加波紋不會對自然對流效果產生太大的影響，? 自然對流的散熱器表面一般采用發黑處理，以增大散熱表面的輻射系數，強化輻射換熱。按小面積流速計算的局部阻力系數：Z1= (1-A1/A2)按大面積流速計算的局部阻力系數：Z 2= (1-A2/A1)所以自然對流散熱器的基板及齒厚應足夠，以抗擊瞬時熱負荷的? 由于自然對流達到熱平衡的時間較長， 沖擊，建

15、議大于5mn以上。散熱器的設計方法? 強 迫冷卻散熱器的設計方法? 在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應小于0.5mm。? 增加散熱器的齒片數。 目前國際上先進的擠壓設備及工藝已能夠達到23的高寬比， 國內目前高寬比最大只能達到 8。對能夠提供足夠的集中風冷的場合，建議采用低溫真空釬焊成型的冷板，其齒間距最小可 到2mm? 采用針狀齒的設計方式，增加流體的擾動，提高散熱齒間的對流換熱系數。?當風速大于1m/s(200CFM)時，可完全忽略浮升力對表面換熱的影響。散熱器的設計方法? 在一定冷卻條件下，所需散熱器的體積熱阻大小的選取方法散熱器的設計方法? 在一定的冷卻體積及流向長度下，確定散熱

16、器齒片最佳間距的大小的方法散熱器的設計方法? 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率比較散熱器的設計方法散熱器的相似準則數及其應用方法相似準則數的定義?散熱器的設計方法 散熱器的相似準則數及其應用方法 相似準則數的應用散熱器的設計方法散熱器的基板的優化方法散熱器的設計方法 不同風速下散熱器齒間距選擇方法散熱器的設計方法 不同風速下散熱器齒間距選擇方法散熱器的設計方法優化散熱器齒間距的經驗公式及評估風速變化對熱阻的影響的經驗公式散熱器的設計方法? 輻射換熱的考慮原則? 如果物體表面的溫度低于 的紅外區。 而在紅外區， 無關。50C,可忽略顏色對輻射換熱的影響。因為此時輻射波長相當長，處于不可

17、見一個良好的發射體也是一個良好的吸收體， 發射率和吸收率與物體表面的顏色? 對于強迫風冷，由于散熱表面的平均溫度較低，一般可忽略輻射換熱的貢獻。 ? 如果物體表面的溫度低于 50C，可不考慮輻射換熱的影響。? 輻射換熱面積計算時，如表面 積不規則，應采用投影面積。即沿表面各部分繃緊繩子求得 的就是這一投影面積，如圖所示。輻射傳熱要求輻射表面必須彼此可見。熱設計的計算方法? 冷卻方式的選擇方法? 確定冷卻方法的原則在所有的冷卻方法中應優先考慮自然冷卻， 只有在自然冷卻無法滿足散熱要求時， 才考慮其它冷卻。?冷卻方式的選擇方法1：根據溫升在40C條件下各種冷卻方式的熱流密度或體積功率密度值的范圍來

18、確 定冷卻方式，具有一定的局限性，如圖1所示。熱設計的計算方法? 冷 卻方式的選擇方法? 冷卻方式的選擇方法 同的各類設備的冷卻2: 根據熱流密度與溫升要求，按圖 2所示關系曲線選擇，此方法適應于溫升要求不熱設計的計算方法? 冷 卻方式的選擇方法? 冷卻方式的選擇方法案例某電子設備的功耗為 300W機殼的幾何尺寸為 248X 381 X 432mm在正常大氣壓下，若設備的允許溫升 為40C，試問采用那種冷卻方法比較合理？計算熱流密度：q=300/2(2.482X 2.2.48+2.48 X 4.32+2.2.81 X 4.32)=0.04W/cm 2根據圖2查得，當 t=40 °C,

19、 q=0.04W/cm2時，其交點正好落在自然冷卻范圍內，所有采用自然冷卻 方法就可以滿足要求。若設備的溫升有嚴格限制，假設只允許10C,由圖2可以看出，需強迫風冷才能滿足要求。熱設計的計算方法? 機箱的熱設計計算? 密封機箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2) t 1.25+4(t£ Tm3A T? 對通風機箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2) A t 1.25+4 “ Tm3A T+1000uA A T? 對強迫通風機箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2) A t 1.25+4 “ Tm3A T+ lOOOQf T 熱設計的計算方法 熱設計的計算方

20、法? 自然冷卻時進風口面積的計算在機柜的前面板上開各種形式的通風孔或百葉窗，以增加空氣對流， 進風口的面積大小按下式計算：cm2W約模塊高度的 1.5-1.8倍，t1 之差Sin=Q/(7.4X10-5 HXA t 1.5)s-通風口面積的大小，Q-機柜內總的散熱量，H-機柜的高度，cm,A t=t2-t1 內部空氣t2與外部空氣溫度出風口面積為進風口面積的1.5-2倍熱設計的計算方法? 強迫風冷出風口面積的計算? 模塊有風扇端的通風面積 :Sfan=0.785( © in2 hub2)無風扇端的通風面積 S=(1.1-1.5) Sfan? 系統在后面板 (后門)上與模塊層對應的位置

21、開通風口，通風口的面積大小應為：S= (1.5-2.0)(N X s模塊)N-每層模塊的總數S模塊-每一個模塊的進風面積熱設計的計算方法? 通風面積計算的案例案例鐵道信號電源機柜模塊及系統均為自然冷卻，每層模塊的散熱量為360W模塊的高度為7U,進出口溫差按20C計算，機柜實際寬度為 680mm試計算每層進出風口的面積？H按2倍模塊的高度計算，即H=2X 7U=14U進風口的面積按下式計算：Sin=Q/(7.4 X 10-5 X HX t1.5)-51.52=360/(7.4X10-5X14 X 4.44 X 201.5)=875 cm2進風口高度 h機柜的寬度按B=680m計，則進風口的高度

22、為：H=Sin/B=875/68=128.7mmb出風口面積 Sout2Sout=(1.5-2.0)S in=2X875=1750 cm2熱設計的計算方法? 實 際冷卻風量的計算方法q'=Q/(0.335 T)q'-實際所需的風量， M3/h Q 散熱量， W T-空氣的溫升，C, 一般為 10 15C。 確定風扇的型號經驗公式：按照1 .5-2倍的裕量選擇風扇的最大風量： q=(1.5-2)q' 按最大風量選擇風扇型號。熱設計的計算方法? 實 際冷卻風量的計算方法?案例：10K UPS主功率管部分的實際總損耗為 800W，空氣溫升按15C考慮，請選擇合適的風扇。實際所

23、須風量為：q'=Q/(0.335 t)=800/(0.335 X 15)=159.2m 3/h按照2倍的裕量選擇風扇的最大風量：q=2q'=2 X 159.2=318.4m3/h下表風扇為可選型號熱設計的計算方法?型材散熱器的計算?散熱器的熱阻散熱器的熱阻是從大的方面包括三個部分。Rsa=R對+R導+ R輻R對=1/ ( hc Fi)Fi-對流換熱面積(m), hc -寸流換熱系數(w/m2.k)R輻-輻射換熱熱阻，對強迫風冷可忽略不計對自然冷卻R輻=1/(4 6£ Tm3)R導=R基板+ R肋導=5 /(入 F2)+(1/n) -1)R對流入-導熱系數，w/m.h.

24、 C5 -散熱器基板厚度(m) n -肋效率系數F2-基板的導熱面積(m) F2=0.785*(d+ 5 )2d-發熱器件的當量直徑(m)熱設計的計算方法?型材散熱器的計算?對流換熱系數的計算 自然對流垂直表面hcs=1.414( t/L)0.25式中：,w/m.k t-散熱表面與環境溫度的平均溫升，CL-散熱表面的特征尺寸，取散熱表面的高， 水平表面，熱表面朝上hct=1.322( t/L)0.25 , w/m.k式中： t-散熱表面與環境溫度的平均溫升，CL-散熱表面的特征尺寸，取L = 2(長X寬)/(長+寬),m水平表面，熱表面朝下hcb=0.661( t/L)式中：0.25，w/m.

25、k t-散熱表面與環境溫度的平均溫升，CL-散熱表面的特征尺寸，取L = 2(長X寬)/(長+寬)，m熱設計的計算方法?型材散熱器的計算 ?對流換熱系數的計算 強迫對流層流Ref<10 5hc= (1.1-1.4)湍流 Ref>105入空氣 0.66Ref 0.5/Lhc= (1.1-1.4)入空氣 0.032Ref 0.8/L?肋片效率對直齒肋:n =th(mb)/(mb)m=(2 h c/ 入 5 0)5 0：肋片根部厚度(m)b.肋咼(m)熱設計的計算方法?型材散熱器的計算?散熱器的流阻計算 P= hf+hj=入 f L/d e p散熱器的流阻包括沿程阻力損失及局部阻力損失V

26、22/2+ Zp V22/2入f -沿程阻力系數L-流向長度（m）de-當量水利直徑（m）, de=4A流通/濕周長V-斷面流速（m/s）沿程阻力系數計算入f層流區：Re=Vd/ u< 2300 入 f=64/Re紊統光滑區 4000<Re<105 入 f=0.3164/Re0.25U -運動粘度系數（m2/s）,從文獻中查找熱設計的計算方法?型材散熱器的計算1 = (1-A 1A2) Z 2= (1-A 2/A1)?散熱器的流阻計算 局面阻力系數Z 突然擴大按小面積流速計算的局部阻力系數：Z按大面積流速計算的局部阻力系數：突然縮小可從相關的資料中查閱經驗值。熱設計的計算方法

27、77.78cm，周長為 2.302m,?型材散熱器的計算?【案例】散熱器DXC-616（天津鋁合金廠編號），截面圖略，散熱器的截面積為單位長度的重量為21KG/n。風扇采用PAPST 4656Z，風扇功率19W 最大風量為160卅巾，壓頭為70Pa.入口面積：流通面積：水力直徑：由于風速較低，/Vde風道阻力曲線的計算Fin =0.785 X D2 =0.785 X 0.119 2=0.01116m2Ff=Fin -Fc=0.01116-0.007778=3.338X 10-3 m-3-3入=64/Re = 64 Vd e= 4Ff/x=4 X 3.338 X 10 /2.302=5.8 X

28、10 m一般最大不會超過6m/s,雷諾數2300,沿程阻力系數按下式計算:沿程阻力按下式計算：h f=入(L/d e)( p V2/2)=(64 v /Vde)(L/d e)( p V/2) =(64X 16.96 X 10-6 X 0.24/(V X 0.0058 2)( p V72)=(8.07/V)(p V/2)局部阻力按下式計算：hj =E p /2對于突然縮小，A/A1=0.003338/0.01116=0.3 ，查表得三=0.38總阻力損失 H=hf+ hj =(0.38+8.07/V )( p V72)熱設計的計算方法?型材散熱器的計算?【案例】續確定風扇的工作點10KVA UP

29、S的選擇風扇為PAPST 4656乙我們把風道曲線與風扇的曲線進行疊加，其交點即為風扇的工作點，給工作點對應的風速為5m/s，壓力為35Pa.散熱器的校核計算雷諾數 R ef=VX L/ V =5X 0.24/16.96 X 10-6=5.6604 X 104努謝爾特數：Nuf=0.66Ref0.5=0.66(5.6604 X 10)0.5 =157對流換熱系數：hc=1.4 入 NLf/L=21.7w/m.k0.5m=(2 hc/ 入 5 ) =9.82ml=9.82X 0.03=0.295，查得：n = 0.96該散熱器的最大散熱量為(散熱器臺面溫升按最大40 C考慮):Q = hcFA

30、t n =460.4W計算結果表面，散熱器及風扇選型是合理的。熱設計的計算方法?冷板的計算方法?傳熱計算確定空氣流過冷板后的溫升:t=Q/q mCP確定定性溫度t f=(2t s+tl+t2)/4，冷板臺面溫度t s為假定值設定冷板的寬度為b則通道的橫截面積為 Ac , Ac=bX Ac0 確定定性溫度下的物性參數(流體的質量流速和雷諾數卩、G、p、 Pr) oG=qm/AfRe=d eG/ 卩根據雷諾數確定流體的狀態 (層流或紊流),R e<1800，層流, 根據流體的狀態(層流或紊流)計算考爾本數JRe>105,湍流Re<1800,層流 J=6/R e 0.98 Re&g

31、t;105,湍流 J=0.023/R也可以根據齒形及雷諾數從GJB/Z 27-92圖12- 18查得熱設計的計算方法0.2e?冷板的計算方法?傳熱計算 計算冷板的換熱系數:h= JGC pPr2/3計算肋片的效率 m=(2h/入5 )0.5，n f=th(ml)/ml(也可以根據ml值查相應的圖表得到肋片效率)計算冷板的總效率：忽略蓋板及底版的效率，總效率為:A= A+A + Ab,n 0= 1一 A(1- n f)/A計算傳熱單元數NTU = h n 0A/q mzp計算冷板散熱器的臺面溫度s=(e NTU 2-t i)/(e N%)熱設計的計算方法?冷板的計算方法?流體流動阻力計算計算流通

32、面積與冷板橫截面積之比(T =A f/A c查空氣進入冷板時入口的損失系數Kc=f(Re, b ): 根據雷諾數 Re及從GJB/Z 27-92圖12 - 16及圖12- 16查得查摩擦系數f=f(Re, b ):根據雷諾數Re從GJB/Z 27-92圖12 - 18查得計算流動阻力 P= G2(Kc+1- b 2)+2( p 2/p 1-1)+f p 1A/(Af p m)-(1- b 2-Ke) p 1/p 2/(2 p 1)熱設計的計算方法?冷板的計算方法?判斷準則確定是否滿足ts<ts，如果不滿足，需增大換熱面積或增大空氣流量。確定是否滿足 p< P，如果不滿足，需減小冷板

33、的阻力(如選擇阻力較小的齒形、增大齒解決等重新選擇壓頭較大的風扇熱設計的計算方法?冷板的計算方法?案例：10KVA UPS冷板散熱器，器件的損耗為 870.5W，要求冷板散熱器臺面溫升小于30C (在40 C的環境溫度下)o冷板散熱器的截面圖略梯形小通道面積：Ai=(3.8+2.6) X 9.5/2=30.4mm2每排有29個梯形小通道，共22排，n=29 X 22=638個基板厚度為：9mm總的流通面積 Af =30.4 X 29X 22=0.0193952 m2 冷板的橫截面積 Ac=120 X 120 X 2=0.0288 m2水力半徑：de=4Afi/x =4 X 30.4/(2 X

34、9.5+3.8+2.6)=4.787mm熱設計的計算方法?冷板的計算方法?【案例】續確定風扇的工作點Re=d e G/ 1 =deqm/ 1 Af在40 C 空氣的物性參數為：1= 19.1X 10-6kg/m.s,p i = 1.12kg/m3Re=(4.787 X 10-3X 1.12 X 0.30483 qm1/(60 X 19.1 X 10-6 X 0.0193952) =6.831 qm1(qm1 的單位為：CFM)d =A f/A c=0.0193952/0.0288=0.673熱設計的計算方法?冷板的計算方法?【案例】續我們把兩個NMB471的風扇流量相加，靜壓不變，得出兩個風扇

35、并聯后的靜壓曲線，再把上表的數據繪(170CFM,先忽略空氣密度的變化，不同流量的流阻計算如下表所示制成風道曲線并與風扇靜壓曲線進行畫在同一張圖上，其交點即為風扇的工作點，即為 0.13in.H 2O),工作點對應的風速為 4.14m/s。熱設計的計算方法?冷板的計算方法?【案例】續空氣流過冷板后的溫升P 1 = 1.12kg/m3, G=1005.7J/kg.C6=19.1 X 10- kg/m.s ,質量流量 q m=0.080231 X 1.12=0.08986kg/s t= Q/q mCP=870.5/0.08986 X 1005.7=9.63 C定性溫度:_ t f=(2t s+t1

36、+t2)= (2 X 80+40+49.63)/4=62.4 C按定性溫度查物性得：pi= 1.06kg/m 3, Cp=1005.7J/kg. C-6X 10 kg/m.s , R =0.696空氣口溫度為40 C,P r=0.699卩=20.1 換熱系數質量流速雷諾數J=6/Re 0.98h= JGC肋片效率 m=(2h/ 入 5 )0.5=(2 X 37.14/(180ml=20.3X 0.11=2.23n f=th(ml)/ml=th(2.23)/2.23=0.433傳熱單元數：NTl= hn oA/qmG=37.14 X 0.433 X 3.241 =0.5772 冷板的表面溫度Re

37、=deG/1 =4.787 X 10-3 X 4.64/(20.1X 10-6 )=1105.1=6/1105.1 0.98=6.25 X 10-3-2/3-3-2/32。pR =6.25 X 10 X 4.64 X 1005.7 X 0.696=37.14W/m . CX 0.001) 0.5=20.3層流:Ts=(eN%2-t 1)/(e N巴1)=61.9C <70 C冷板設計方案滿足散熱要求。風扇的基本定律及噪音的評估方法2G=q m/Af =4.14 X 1.12=4.64kg/m .s?風扇定律風扇的基本定律及噪音的評估方法?風扇的噪音問題?風扇產生的噪音與風扇的工作點或風量

38、有直接關系，對于軸流風扇在大風量，低風壓的區域噪音最小，對于離心風機在高風壓， 低風量的區域噪音最小， 這和風扇的最佳工作區是吻合的。注意不要讓風扇工作在高噪音區。?風扇進風口受阻擋所產生的噪音比其出風口受阻擋產生的噪音大好幾倍，所以一般應保證風扇進風口離阻擋物額外的噪音。?對于風扇冷卻的機柜, 準機房內噪音不得超過 在普通民房內不得超過至少30mm的距離，以免產牛 在標55dB,65dB。風扇的基本定律及噪音的評估方法? 風 扇的噪音問題? 對于不得不采用大風量，高風壓風扇從而產生較大噪音的情況，可以在機柜的進風口、出風口、前后門 內側、風扇框面板、 側板等處在不影響進風的條件下貼吸音材料，

39、 吸音效果較好的材料主要是多孔介質， 如玻璃棉，厚度越厚越好。? 有時由于沒有合適的風機而選擇了轉速較高的風機， 在保證設計風量的條件下， 可以通過調整風機的電 壓或其他方式降低風扇的轉速，從而降低風扇的噪音。相應的噪音降低變化按下式計算：N2 = N1 + 50 log 10 (RPM2/RPM1)風扇的基本定律及噪音的評估方法? 風扇的噪音問題? 【案例】：一電源模塊采用一個軸流風扇進行冷卻，為了有效抑止噪音，要求風扇只有在監控點的溫度 高于85C才全速運轉，其余情況風扇必須半速運轉。已知風扇全速運轉時轉速為 2000RMP,噪音為40db ,求在半速運轉時風扇的噪音為多少？如果已知全速運

40、轉時風扇的工作點為（50CFM,0.3IN.H 2O），試求風扇在半速運轉時的工作點。解：根據風扇定律N2 = N 1 + 50 log 10 （RPM 2/RPM 1）=40 + 50 log 10 （1000/2000）= 24.9dbP2 =P1 （RPM2/RPM1）2=0.3（1000/2000） 2=0.075 IN.H 2OCFM 2 = CFM 1 （RPM 2/RPM 1）=50（1000/2000）=25CFM海拔高度對熱設計的影響及解決對策? 海拔高度對自然冷卻條件的熱設計要求 對于自然對流，其傳熱機理是由于冷卻空氣吸熱后其密度減小，迫使重力場中的空氣上升而形成冷熱空 氣

41、的對流而產生熱量傳遞。 由于隨著海拔高度的增加， 空氣的密度逐漸減小， 空氣上升的能力也就減少， 自然對流換熱的能力減弱。 自然對流換熱能力的變化最終體現在對流換熱系數的變化上，根據美國斯坦伯格的經驗公式，如果忽略空氣溫度的變化，可按下式計算海拔高度對自然對流的影響強弱。hc（高空）=he（海平面）（p高空/p海平面）0.5=he（海平面）（p高空/p海平面）0'5he（高空）, he（海平面）一分別為高空及海平面的自然對流換熱系數，W/m.kp高空，p海平面一分別為高空及海平面的空氣密度，Kg/m 3P高空，P海平面一分別為高空及海平面的空氣壓力，帕斯卡海拔高度對熱設計的影響及解決對

42、策? 海拔高度對強迫冷卻條件的熱設計要求 海拔高度對強迫風冷影響的機理是由于隨著海拔高度的增加，空氣密度減小，質量流速減小，空氣分 子間碰撞的概率降低， 對流換熱能力減弱。 同樣， 強迫對流換熱隨海拔高度的變化最終體現在對流換熱 系數的變化上，美國軍用標準規定，低于5000米以下的高空，如果忽略空氣溫度的變化，可按下式計算海拔高度對強迫風冷換熱影響的強弱。層流：hc（高空）=he（海平面）（p高空/ p海平面）0.5湍流：hc（高空）=he（海平面）（p高空/ p海平面產8W/m.khc（高空）, hc（海平面）一分別為高空及海平面的強迫風冷對流換熱系數，p高空，p海平面一分別為高空及海平面的

43、空氣壓力，帕斯卡海拔高度對熱設計的影響及解決對策? 自然對流時的解決對策 預先計算出海拔高度對自然對流換熱系數的影響大小，通過增加相應的對流換熱面積來彌補高空換熱 能力的減弱，按下式計算：F對流（高空）= F對流（海平面）/（ P高空/p海平面）0.5海拔高度對熱設計的影響及解決對策? 強迫對流時的解決對策? 增大面積法 預先計算出海拔高度對自然對流換熱系數的影響大小，通過增加相應的對流換熱面積來彌補高空換 熱能力的減弱，按下式計算：F對流(高空)= F對流(海平面)/( p高空/ p海平面)0.5? 提高風扇的轉速RPM 2/RPM 1=p海平面/p高空元器件工作結溫的計算? 元器件的工作結

44、溫計算 ? 如果已知道散熱器臺面溫度Tj=Ts+ PtX Rth(j-s)Rth(j-s) =Rjc +Rcs+RbRth(j-s)器件結到散熱器的熱阻，C Rjc-器件結殼熱阻，C Rcs- 殼到散熱器的熱阻， 值乘以適當的系數得到。Rb-絕緣墊片的熱阻，CTs , 則器件的工作結溫為：/W。/W，從器件使用手冊中查得即接觸熱阻，C /W，可根據從器件使用手冊中查得的/W ，可絕緣墊片的數據資料中查得，無絕緣墊片時該項熱阻為零。? 如果已知散熱器的熱阻，環境溫度，則器件的工作結溫為：Tj=Ta+ PTX Rth(j-a)Rth(j-a) =Rsa+Rjc+Rcs+RbRth(j-a)器件結到

45、環境的熱阻，C Rsa 散熱器熱阻，C /W 元器件工作結溫的計算/W。? 元器件的工作結溫計算?案例130A模塊中，輸出二極管處散熱器的臺面溫度為94.6 C,阻為0.45 C /W ,接觸熱阻為0.15 C/W ,絕緣墊片的熱阻為0.3二極管的最大結溫為175 C,結殼熱 C /W， 計算二極管的工作結溫。R js= Rjc+ RcsRb=0.45+0.15+0.3=0.9C /wTj= T? 案例 2s+PdX Rs=94.6+44.2 X 0.9=134.4 C如把 案例 1 中的二極管在一散熱器中央，散熱器的熱阻為0.8 C /w，環境溫度為40 C。js= R sa+ Rjc +

46、RcsRb=0.8+0.45+0.15+0.3=1.7C /wTj=Ta+ PTX Rth(j-a) . = 4044.2X 1.7=115.2 C熱仿真技術? 為 什么要進行熱仿真分析？? 提高產品的性能及可靠性。? 更快地將產品投放市場。? 降低設計、生產和重復設計、? 減少試驗和測量的次數。生產的費用。熱仿真技術? 仿 真分析技術及軟件介紹?電子設備熱設計軟件是基于計算傳熱學技術(NTS)和計算流體力學技術(CFD)發展電子設備散熱設計輔助分析軟件，它可以幫助熱設計工程師驗證、優化熱設計方案，滿足產品快速開發的需要，并可以 顯著降低產品驗證熱測試的工作量。? 目前商業的熱設計軟件種類繁多

47、，Cool it、Betasoft,及基于有限元的有基于有限體積法的 Flotherm 、I-deas、Ice-pack 、Tas Harvard thermal 、 Ansys等，其中Flotherm、l-deas、Ice-pack占據大部分的市場份額。熱仿真技術? 仿 真分析技術軟件在產品開發的作用? 對產品的溫度場作出預測，使我們在進行產品設計開發時關注熱點區域。? 進行各種設計方案的優劣分析，得出最佳的設計方案。? 對產品的風路進行優化，最大限度的提高散熱效率。任何先進的仿真軟件已永遠無法代替人，軟件只是熱設計人員所利用的工具之一。所以仿真軟件結果 的可靠性決定于熱設計人員的經驗及理論

48、水平。熱仿真技術? ANSYS 軟件介紹? Ansys軟件是由美國Ansys公司推出的多物理場有限元仿真分析軟件，涉及結構、熱、計算流體力學、聲、StructureThermal 是電磁等學科， 能夠有效地進行各種場的線性和非線性計算及多種物理場相互影響的耦合分析。 是該軟件面向結構分析研究的專用模塊。 Flortran 是該軟件面向流場分析研究的專用模塊。 其中面向熱設計研究的專用模塊。熱仿真技術公司開發的電子設備熱設計軟件，其最顯著的特點是針對電子設備的組 根據這些組件模型可以快速的建立機柜、插框、單板、芯片、風扇、? Flothermal 熱分析軟件介紹Project Manager、

49、Drawing Drawing 模型的界面和計算網格劃分工具。通過在 Flogate是一個數據接 求解器? Flotherm 是英國的 FLOMERICS 成結構，提供的熱設計組件模型， 散熱器等電子設備的各組成部分。前處理包括? Flotherm 軟件基本上可以分為前處理、求解器和后處理三個部分。Board和Flogate。Project Manager用于項目管理、物性參數、網格參數、計算參數的設定等；Board提供了一個可視化的建立機柜、插框、單板、芯片幾何Project Manager和Drawing Board中的互動操作，就可以完成具體的建模工作。后處理部分包括 Visulatio

50、n 、 Flomotion Flomotion 除了也可以實現可視化顯示外，還可以Table 模口模塊，它可以把單板的裝配圖文件（ IDF格式）導入Flotherm，直接完成單板的建模設計。 是Flosolve模塊，它可以完成模型的瞬態和穩態溫度場和流場計算。和 Table， Visulation 完成仿真計算結果的可視化顯示； 制作流場的動畫顯示；熱分析模型的大量計算數據如某區域的平均溫度、空氣流量等可以通過 塊查詢。熱仿真技術? 傳統的熱設計方法與仿真分析方法的比較? 在操作流程上面的差異 傳統的熱設計方法利用設計者的經驗確定出設計方案，然后利用經驗公式進行估算，在通過試驗進 行驗證，并根

51、據試驗結果進行優化。仿真分析軟件可以同時對多種設計方案的優劣進行分析比較，并能夠確定出最佳的設計方案。如果 軟件使用者具有足夠的熱設計經驗，則完全可以省略試驗驗證的環節。從而達到縮短設計周期的目的。? 優缺點比較熱設計的發展趨勢? 電源模塊的熱設計發展趨勢? 一次電源模塊的熱設計發展趨勢隨著電源模塊功率密度的升高， 熱設計已逐漸成為瓶頸問題。 傳統的集中散熱的方式 （所有的功率管全部集 中在一個散熱器上 ）無法滿足模塊體積逐步減小的要求。分散式散熱成為解決這一難題的主要技術。? 二次電源模塊熱設計的發展趨勢 二次電源模塊正朝著高效率、超輕、超薄、高功率密度的方向發展。以OPENFRAME 結構為代表的新代模塊，如圖 17所示，通過電路技術上的改進，提高了模塊的工作效率，降低了模塊的熱損耗，同時功 率器件及PCB耐溫等級的提高，使得模塊可以省掉金屬或陶瓷底板，進而省掉了笨重的散熱器，有效的 節省了系統的可見，同時提高了模塊抗震動的能力。熱設計的發展趨勢 熱設計的發展趨勢? 分 散式散熱技術? 基本理念熱設計的發展趨勢? 分 散式散熱